0 前言

输电架空导线覆冰将导致线路机械负荷增加，易引发断线、跳闸、倒塔、导线舞动等事故，不仅影响电力系统的安全运行，还将影响到我国的国民生活与工业生产，造成巨大经济损失^[1]。目前，输电线路抗结冰方法主要分为两种^[2]：主动除冰和被动除冰方法。主动除冰方法主要包括热力除冰、机械除冰等。但这些主动除冰方法能耗高、效率低，且机械除冰过程中还会因外力作用对导线造成破坏。因此，被动除冰方法，尤其是仿生功能表面抗结冰方法吸引了广大研究者的关注^[3-7]。

受荷叶效应启发，超疏水表面是一种新型的功能性表面，具有较低的表面能，对水有很强的排斥作用，在自清洁^[8]、防腐^[9]、抗结冰^[10]、流体减阻^[11]、油水分离^[12]等领域具有巨大的潜在应用价值。 ANTONINI等^[13]通过机翼结冰试验，证明了超疏水涂层是一种有效抗冰方法。超疏水涂层改变了表面的润湿性，使液体更易从表面脱落，不仅减少了机翼上的积冰，还可以使机翼抗积冰所需的能量减少80%。ZHU等^[14]先蒸发PDMS在基底表面沉积一层微米颗粒，再将PDMS/TiO₂ 混合分散液喷涂至表面形成微纳粗糙结构，制备了超疏水涂层。结冰试验表明，该涂层可延缓水滴在表面的结冰时间，具有良好的抗结冰性能。JIN等^[15]先将铝导线在盐酸中刻蚀，形成表面微纳粗糙结构，再放入硬脂酸中修饰，最后获得具有超疏水涂层的铝导线，然后用高速摄像机观察结冰过程。结果表明，在低温环境下结冰150min，该涂层导线冰锥长度仅为原始导线的三分之一，具有明显的抗结冰作用，但这种刻蚀方法可能会降低铝导线强度，引发断裂事故。上述研究证明了超疏水表面抗结冰的可行性，但在实际应用中如何经济可靠的获得超疏水表面还是需要进一步研究。

复合绝缘子因具有优良的力学性能及优异的表面憎水性而被广泛应用于电力系统，但因加工缺陷、材料老化等原因每年有大量复合绝缘子退役，其后续处理也是较大问题。硅橡胶复合绝缘子伞裙本身就是一种低表面能材料，本文利用其制备一种超疏水涂层，应用于架空导线抗污染及抗结冰，对保护环境、节约资源以实现可持续发展有着重要的意义。

1 试验部分

1.1 材料及仪器

试验采用的主要材料：110kV架空线路常用的钢芯铝绞线和硅橡胶复合绝缘子（国网湖北省电力公司提供）；环氧树脂E44和固化剂T31（北京东方雨虹防水技术股份有限公司）；乙酸乙酯和无水乙醇 （国药集团化学试剂有限公司）。

使用的主要仪器：接触角测量仪（JY-PHB），扫描电子显微镜（SEM，JSM-7500F，日本），扫描电镜附带的EDS和傅里叶变换红外光谱仪（FTIR，Nexus 870），可程式恒温恒湿试验机（TEMI880型，东莞市石排昊然机械设备厂）。

1.2 粉末的制备

将硅橡胶复合绝缘子伞裙切成小块，先后使用无水乙醇和去离子水在超声波清洗机中清洗10min，然后干燥。将干燥后的试块放置在酒精灯上方燃烧至完全没有白烟产生，得到的燃烧产物放置在研钵中研磨粉粹，然后采用160目的筛网对粉末进行筛选，得到红褐色粉末。

1.3 硅橡胶粉末/环氧树脂超疏水涂层的制备

将环氧树脂（E44）和乙酸乙酯以质量比1∶1.5混合，磁力搅拌20min使环氧树脂完全溶解形成透明低黏度溶液，然后再向溶液中加入三分之一环氧树脂质量的固化剂（T31），然后继续磁力搅拌10min使其充分混合。同时取硅橡胶粉末和乙酸乙酯以质量比1∶2混合后磁力搅拌，得到硅橡胶粉末溶液。将载玻片和导线完全浸泡在制备的环氧树脂溶液中，使表面完全均匀覆盖环氧树脂，然后放入60℃ 干燥箱中使乙酸乙酯完全挥发后取出。将硅橡胶粉末溶液倒入喷枪中，设定喷枪压力为0.7MPa，喷涂距离为400mm，均匀喷涂在覆盖有环氧树脂的载玻片和导线表面，然后放入60℃干燥箱中干燥24h，最后得到具有涂层的载玻片和导线，具体流程如图1所示。

1.4 性能表征

使用傅里叶变换红外光谱仪和扫描电镜附带的EDS分析硅橡胶绝缘子燃烧产物的元素组成和官能团，使用场发射扫描电子显微镜观察涂层表面的形貌。使用接触角测量仪，测量5 μL水滴在涂层表面的接触角，测量5个不同点取平均值。使用恒温恒湿控制箱，进行导线抗结冰试验。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱和EDS分析

图2a为硅橡胶粉末及SiO₂ 纳米颗粒的红外光谱图，2 985cm⁻¹ 处吸收峰为甲基基团，甲基基团属于疏水基团，这是该粉末具有疏水性的主要原因。1 096cm⁻¹ 处吸收峰对应于Si-O-Si不对称伸缩振动， 803cm⁻¹ 处吸收峰为Si-O-Si的对称振动，这两处吸收峰是硅氧键的特征峰，从而证实经过燃烧产生的硅橡胶粉末主要成分为含有硅和氧元素的某种化合物。图2b为硅橡胶粉末EDS能谱图，从图中可以发现，硅橡胶粉末的主要组成元素是硅和氧，还有少量的铁和铝，而铁、铝等元素的存在主要是由于硅橡胶复合绝缘子在制造过程中添加的补强剂和阻燃剂中含有这些元素，进一步表明硅橡胶粉末的主要组成元素为硅和氧。

2.2 涂层疏水性及SEM分析

图3a为硅橡胶粉末/环氧树脂涂层表面4个不同位置的润湿效果，液滴在其表面的平均接触角为154°，呈现为超疏水球型状态。图3b为该涂层SEM图，从图中可以发现硅橡胶粉末较均匀地分布在涂层表面，表面存在大量的微米级块状物，在这些块状物之间存在大量的凹槽，液滴与涂层接触时这些凹槽内充满空气形成了气垫，减少了液滴与涂层表面的接触面积。同时在表面发现一些纳米级且光滑的球状小颗粒，与微米级的块状物形成微纳粗糙结构，这种结构之间将形成更多的气垫来支撑水滴，进而使涂层表现出超疏水特性。图3c为涂层的断面SEM图，可以发现硅橡胶粉末/环氧树脂所形成的涂层厚度有105 μm左右，这表明所形成的环氧树脂有一定厚度，进而保证了基底和超疏水粉末之间有较强的结合力。

2.3 涂层导线的自清洁性

实际运行中的架空导线会面临着各种各样的污染，如空气中的尘土、汽车排出的尾气等。当遇到雨雪天气，这些污染物被润湿后，会附着在输电导线表面，可能影响其疏水性能，所以导线表面的自清洁特性十分重要。为研究架空导线涂层表面的自清洁特性，分别将相同质量的泥土撒在原始导线和带有超疏水涂层的导线表面，然后用适量的水冲洗表面，测试过程如图4所示。从图4a中可以发现原始导线表面依然会有很多泥土残留，部分泥土颗粒被水润湿后成团附着在其表面或进入缝隙中，更难以冲刷掉。而从图4b可以发现，具有超疏水涂层的导线，当水滴经过其表面时，会把表面的泥土颗粒一并带走，基本无残留，表现出优异的自清洁效果。这种自清洁性能对运行中的架空导线非常有益，还可有效防止污染物在表面堆积而造成的污闪事故。

2.4 涂层导线的抗结冰性

覆冰是一种综合的物理现象，其形成既是一个流体力学的过程，也是一个热力学的过程。从流体力学的角度看，输电线路覆冰是捕获气流中过度冷却的水滴而发生的物理现象^[16]。从热力学角度看，覆冰是液态过冷却水滴释放热量而固化的物理过程，与热量的交换和传递密切关联^[17-18]。覆冰的质量、厚度和密度都取决于覆冰表面流体碰撞过程和热平衡过程^[19]。根据覆冰形成的机理及形成过程，覆冰的增长过程可分为干增长和湿增长，由于湿增长覆冰的密度较大，其对输电线路的危害也较大。因此，本文也通过湿增长覆冰试验研究制备涂层的抗冰性。

在温度−10℃下进行导线结冰模拟试验，试验步骤如下：将原始导线和超疏水涂层导线分别放置在精密天平上称重，然后一起放入−10℃的恒温恒湿控制箱中，待导线温度基本达到−10℃后，然后每隔30min持续喷雾30s，每次取出分别称重，通过前后重量对比，测定结冰的质量。

图5 所示为初始冷冻10min后的导线覆冰图，从图中可以发现涂层导线表面还存在透明的液态水滴，已完全结冰的液滴呈固态颗粒状分布在导线表面。而原始导线表面只在下部附着一较大固态冰滴，大部分水滴已进入到导线缝隙之间凝结。这表明制备涂层可以有效延缓导线表面结冰，这是由于水滴与涂层表面微纳结构间的空气接触面积较大，可以有效延缓导线表面的热传递。

图6 所示为两种导线覆冰试验的结果。图6a为在温度−10℃下原始导线和超疏水涂层导线覆冰质量随时间变化图。从图中可以看出，两种导线的结冰量随着时间的增加而增加，但有涂层的导线结冰量明显低于原始导线，且随着时间的增加差距越明显，经过3h试验后，超疏水涂层导线表面的结冰量基本是原始导线表面结冰量的一半。图6b和6c为3h后两种导线覆冰实物图，从图中可以看出，原始导线整个表面上覆盖冰层，且由于重力作用在下部形成较长冰溜；涂层导线仅在导线上半部覆盖一些冰层，下半部分由于水滴在超疏水表面无法附着而没有覆冰。

为研究涂层导线在不同环境温度下的抗冰性，进行了两种导线在不同环境温度下的抗冰试验。如图7所示是两种导线分别在环境温度为−5℃、 −10℃、−15℃和−20℃下1h结冰量的对比图。从图中可以发现，随着环境温度的降低，两种导线表面的结冰量不断增加。因为随着温度的降低，液滴在表面的凝结时间越来越短，相同的时间内，会有更多的水滴凝结成冰，因此结冰量会增加；相同环境温度下，超疏水涂层导线表面的结冰质量明显低于原始导线，且环境温度越低，两种导线的覆冰质量差距越大，涂层可以起到抑制结冰的作用。试验结果说明，制备的涂层导线表面在低温下仍具有较好的抗结冰性能，从而证实了该涂层在低温下应用的可行性。

2.5 涂层导线的耐久稳定性

由于天气变化，输电导线经常结冰融化后再结冰，因此有必要对涂层导线在反复融冰结冰后的抗结冰性能进行试验研究。将涂层导线放入温度为−10℃的恒温恒湿控制箱中喷雾30s，冷冻1h后取出，再放入60℃干燥箱中融化干燥，重复融化结冰过程，每重复5次测量一次结冰重量。图8a为涂层导线结冰量随融冰次数的变化曲线图。由图可知，在前20次融冰结冰过程中，结冰量变化不大，结冰量在0.1～0.2g范围内变化，融冰次数在超过20次后，其结冰量明显增加，第35次后，其结冰量比刚开始增加了60%，但也少于无涂层时的覆冰量2.5g。这表明制备涂层的导线在经过多次结冰融冰后能保持一定的抗结冰性能，且喷涂法制备超疏水涂层操作简单，不受场合的限制，可以再次对导线表面进行喷涂，使其恢复抗结冰性能。

输电导线在室外工作经常受阳光照射，受到紫外线辐射较强，可能会损坏涂层的抗冰性能。本文采用加速模拟试验方法来研究涂层表面的抗紫外线性能，将涂层导线放置在高强度紫外线试验装置下，然后放入温度为−10℃的恒温恒湿控制箱中喷雾30s，测量完全结冰后的质量。图8b所示为涂层导线结冰量随辐射时间变化关系曲线图。从图中可以发现，紫外线辐射对涂层表面的抗结冰性有一定影响，但总体来说影响不大，连续强光辐射时间30d后，表面结冰的质量比初始时增加了40%，远小于无涂层原始导线同温度下的2.5g覆冰，试验过程中导线经过了反复融冰结冰，与图8a相比较，紫外光辐射的影响可以忽略不计。因此，硅橡胶粉末的涂层具有良好的抗紫外线辐射性能。

架空输电导线有可能暴露在酸碱腐蚀环境中，使得涂层表面化学组成成分发生一定的变化，影响涂层表面的抗冰性能，因此，需要对涂层导线进行耐腐蚀试验。将制备的涂层导线浸泡在1mol/L的H2SO4和NaOH溶液中，然后进行覆冰试验。图8c所示为制备的涂层导线结冰量随腐蚀时间的变化曲线图。从图中可以发现，酸碱腐蚀对涂层导线的影响基本一致，在腐蚀时间12d内，涂层导线表面结冰的质量都变化很小，之后随腐蚀时间增加结冰质量增加，在32d后仍小于无涂层导线的结冰量。实际工况下酸碱腐蚀环境远弱于试验条件，试验过程中导线也会经过多次融冰结冰，加速了涂层导线抗冰性能的下降，与图8a比较可知，酸碱腐蚀对涂层导线抗冰性能有一定影响，但在一年的工作周期内可以满足工作需要，因此制备的硅橡胶粉末涂层导线具有较好的抗酸碱腐蚀性能。

3 结论

针对架空导线的覆冰问题，利用废旧复合绝缘子伞裙材料本身的低表面能特性，制备了微纳米级超疏水粉末。通过较优的喷涂方法在玻璃平面及导线凹凸表面制备了硅橡胶粉末/环氧树脂超疏水涂层。该涂层具有良好的抗污自清洁性，能有效延缓结冰及减少覆冰，且具有良好的化学及机械稳定性。该涂层制备方法简单可行、效率高，且适合量产，因此在输电线路及其他装备的防冰抗冰中具有较好的应用潜力。

后续研究将致力于快捷高效地实现在役架空导线等装备的超疏水涂层的制备，提高涂层抗覆冰效率，进一步将涂层应用于生产实践。

参考文献